國外從20 世紀90 年代，就已經大規(guī)模開展飛機的自動化裝配技術的研究。根據飛機自動化制孔的特點和要求，國外著名的飛機裝配設備制造廠家生產了許多大型的面向飛機裝配的自動化設備。在飛機裝配中，用戶定制的機床是根據飛機結構特定的裝配要求制造出來的。全作業(yè)空間的高精度造就了設備的大型化、高剛性，但存在質量大、設備笨重、用途太專一的缺點。這些設備有一個共同的特點：體積龐大、造價昂貴、維護困難，并且需要配套固定型架或自動托架，其投資也是巨大的。

　　由于飛機的裝配構件必須進入設備之中，造成裝配件的頻繁上下載，零件多次搬運也不可避免，此外，該設備占地大，廠房面積利用率低，增加了產品的造價，同時設備操作人員的培訓費用也很高。
　　
　　自動化裝配隨著零件尺寸的增大而受到實際限制。有時由于成本原因，無法使用常規(guī)自動化設備來裝配大零件，最后不得不退而采用手動連接大型裝配件。機動、靈巧的自動化設備為飛機柔性裝配提供了另一種選擇。它舍棄了整體精度而追求局部精度，并充分利用了飛機部件自身特點，而且質量輕，更經濟，可以分配到作業(yè)現場或依附到飛機部件上，不需要大的安裝場地；而且設備的造價變得低廉許多。

　　航空制造業(yè)廣泛使用定制的數控機床進行飛機結構件的加工、制造、裝配和質量檢驗。由于現有機器人剛度和精度低、負載小，使得傳統的機器人在飛機裝配上的應用水平低。未來機器人需要高精度來滿足飛機工件要求、需要柔性來適應不同產品的要求。

　　航空產品的制造和維護與汽車不同，表現在產品尺寸大小、制造過程精度、產品數量、控制水平不一樣，飛機零件、作業(yè)通道、結構尺寸大，并且復雜度高，需要作業(yè)通道和人的互動。

機器人特點
　　70 年代初，全球開發(fā)了第一臺電氣機器人，這項技術在惡劣環(huán)境下替代了人工勞動，比如點焊、弧焊和搬運。其目的就是創(chuàng)造一個大的作業(yè)空間和巨大的柔性。這些應用場合不需要高精度和平穩(wěn)性。為了推廣應用該技術，采用了串聯技術，即每根軸依次連接而成。這項技術的優(yōu)勢在于，可以各個方向移動機器，獲得需要的柔性和作業(yè)空間；然而，其缺點是沒有足夠的精度和剛度。

　　總之，機器人靈巧有余，精度不足。其特點表現為：靈巧，柔性好；精度低，負載能力弱；應用廣泛，用途多；體積小，機動性好；環(huán)境適應性強，生產效率高；制造成本低，批量大；便于維護，服務成本低。

1 幾種機器人定義
（1）機器人工業(yè)協會 (RIA)：機器人是可改變程編的多功能操作裝置，其設計用來搬運物料、零件、工具、專用裝置，通過多種程編運動完成多種任務。
（2）日本機器人協會：
　　a . 人工裝卸裝置——具有幾個自由度，用來人工操作；
　　b . 固定工序機器人——類似固定自動化；
　　c . 變化工序機器人——類似程編自動化；
　　d . 歸位機器人——人工示教，軌跡跟蹤；
　　e . 數控機器人——操作者交付機器人完成系列任務， 而不去示教他們；
　　f . 智能機器人——感知環(huán)境手段，不管周圍環(huán)境變化，都能順利完成任務。

機器人與自動化有密切的關系，體現3 種層次：
　�。�1）剛性自動化：同類型產品，大批量制造，采用固定的操作模式，且從不改變。
　　（2）程編自動化：多品種、中批量，可編程系統可以改變制造工序。
　�。�3）柔性自動化：完善優(yōu)化程編自動化，允許操作步驟快速重構和再編程，常視為“柔性機器人單元”，具有再編程/ 重組機器人改變工作單元功能。

2 應用領域
　�。�1）工業(yè)機器人：弧/ 點焊、銑削/ 制孔、涂膠/ 密封、激光/ 水切割、研磨、去毛刺、攻絲、噴涂、裝配。
　�。�2）材料處理（抓放）：堆剁、倉儲裝卸、零件歸類、包裝、芯片拾放、危品處理。
　�。�3）測量機器人：目標識別、輪廓尋跡、檢查、3D 注冊。
　　（4）娛樂機器人：動畫人物、飛行模擬、機器人寵物。
　�。�5）服務機器人：殘疾人幫助、人工假肢、清掃吸塵、向導。
　�。�6）軍事機器人：拆除引爆裝置、偵察機器人、無人機。
　�。�7）外科手術機器人：鉆孔、縫合、消毒、器械抓取。

　　毫無疑問，智能機器人已經是進入柔性自動化高境界的前哨與尖兵。支撐機器人的柔性精確自動化裝配還有三大關鍵技術：經濟型柔性工裝技術、多功能末端執(zhí)行器技術、激光跟蹤測量定位技術。

關鍵使能技術
　　要順利將工業(yè)機器人引入到飛機的制造與裝配中，必須解決機器人的精確定位問題。一般工業(yè)機器人的最高定位精度只能達到±0.3m m，遠低于飛機裝配的精度要求。而且其位置精度低，需要補償。由于機器人作業(yè)空間自由度大，而飛機構件內部狹窄，不開敞。在機器人作業(yè)之前，需要模擬仿真。機器人作業(yè)的對象，需要固定好，由于數量大，成本要求低廉。解決上述難題，需要突破六大使能技術：低成本可重構柔性工裝技術、多功能末端執(zhí)行器技術、激光跟蹤測量定位技術、機器視覺圖像處理技術、離線仿真編程技術、動態(tài)位姿補償控制技術。

1 激光跟蹤測量技術
　　采用了嵌入式控制，通過一個標準的計算機將機器人和激光跟蹤儀集成在一起。T C P 定位系統使用激光跟蹤系統獨立跟蹤三坐標（x ，y ，z）和3 個方向（i ，j ，k）。在鉆孔末端執(zhí)行器上安裝了3 個“貓眼”反射鏡。第4 個反射鏡用于驗證TCP 的坐標轉換。作為瞬時定位的參考系，這3 個反射鏡中的任何一個都能被跟蹤。監(jiān)視機器人的實時空間位置，確定它的絕對位置精度，實現飛機小批量裝配的高精度自動化。它可以高精度測量位置與方向，用來監(jiān)視機器人的位置。在激光跟蹤儀的監(jiān)控下，機器人可進行高精度位置定位。

　　除了三維激光跟蹤儀，近年來出現的室內i G P S 大尺寸測量也大顯身手，優(yōu)點突出，可以在整個作業(yè)空間內建立測量場，一旦布置了iGPS，在現場添加幾臺機器人，卻不增加額外的測量費用，減少固定工裝費用，不像激光跟蹤儀那樣，需要測量中轉站。

2 低成本可重構柔性工裝技術
　　在飛機的制造和裝配中，工裝型架數量多、尺寸大、種類多，是一筆很大開銷。機器人的進入，需要有一種可重構的低成本工裝設計制造技術。工裝采用模塊化設計，完成動態(tài)模塊的定位。通過移動各種動態(tài)模塊，改變動態(tài)模塊的格局，構建工裝系統。基本模塊有：單軸支撐單元、兩自由度CANNON 單元、三自由度的導軌模塊、六自由度平臺模塊、球型關節(jié)模塊。

3 多功能末端執(zhí)行器設計制造技術
　　工業(yè)機器人只能作為一個柔性的移動平臺，要完成不同的工作任務則需要安裝不同的操作器。機器人本身的負載能力和剛度有限，要求執(zhí)行器的質量要輕，尺寸要小。飛機制造裝配的作業(yè)形式很多，執(zhí)行器的功能要求多樣化、系列化，在工作現場，要求高的工作效率，執(zhí)行器要可更換、便捷、制造成本低。其次，執(zhí)行器需要好儲存、少維護。

4 動態(tài)位姿補償控制技術
　　離線的校準要利用一些重要的數據來生成靜態(tài)校準參考模型。當機器人由于選擇性的負載而發(fā)生偏轉時，可預測量出位置和方向誤差，由此來精確構造模型。然后，在實際的加工循環(huán)過程中，利用這個模型作為參考系統來預測和補償誤差，這個更適用于負載不變的重復性過程。通過編程，將機器人移動到空間不同位置，同時記錄每個位置，重新計算三腳架腿之間的夾角，并且將操作頭轉換到實際坐標系中，數據庫保存、計算和補償機器人運動信息。

5 離線仿真編程技術
　　機器人由于靈活、活動空間大、位置求解多，所以機器人的安全編程和校驗是系統的重要組成部分。離線仿真能進行實際零件和N C 程序的加工檢查。在虛擬環(huán)境中檢查零件程序，模擬機器人的動作和運行軌跡，驗證其可達性，避免了干涉的發(fā)生。

6 機器視覺圖像識別處理技術
　　該技術是實現機器人二次精確定位的關鍵，在實際應用中，一般采用激光掃描器確定基準點，實現質量控制自動化。如基于激光三角法測量是將激光柱投向檢測的表面，畫一條40m m 長的激光線，包含了1024點。物體表面發(fā)射激光束，一個高分辨率的C C D 相機（加裝適當的濾波器和透鏡）接受這些不同的點，一臺專用的控制處理P C 機來采集這些反射點。

機器人在飛機裝配中的應用
　　飛機產品的全球化，使得許多小型航空供應商從事飛機部件裝配。這些提供商擁有大量資本，工廠自動化投資有保障，滿足高性能與低成本要求。通常，這些供應商的能力有限，所以提高生產率、有效安排生產布局、縮小廠房面積是其中的關鍵。一次性組件生產，不僅無需構建完整部件，而且降低了廠房的要求。與低成本機器人自動化結合，形成了無與倫比的設計競爭力，創(chuàng)造了非常具有吸引力的解決方案。智能機器人憑借自身的優(yōu)勢一旦引入飛機制造業(yè)，其應用范圍幾乎能夠涵蓋飛機裝配的各個方面：制孔、鉚接，密封、涂膠，噴漆、打磨，對接、測量，搬用、檢查，移動、焊接。

1 基于激光跟蹤儀控制的機器人制孔
　　英國空客的自動化與機器人工程集團每年大約要鉆5 億個孔，其中一半由手工來完成。一般的工業(yè)機器人對飛機制造環(huán)境而言，精度不夠，許多應用的絕對位置精度為±0.2m m�？湛凸�司找到了解決問題的方案，在航空領域引入了一個柔性低廉的機器人平臺，推動減少手工操作，滿足市場需求。

　　此機器人平臺包括：2臺機器人，協同拾起一個大型機翼組件，在固定的位置上進行制孔和鉚接；機器人負責機翼零組件孔的定位，按照C A D 規(guī)定的機翼定位數據完成，能實現高于原來10 倍的精度作業(yè)。

2 機器人裝配系統—— ONCE
　　利用工業(yè)機器人的大批量、高產出，O N C E 機器人制孔系統作為了F /A-18E / F 副翼的蒙皮骨架的自動制孔、锪窩、孔探測的平臺，擁有5 個子系統：定位系統、工作頭、監(jiān)視系統、編程系統、零件固定的型架；每件有20000 個緊固件，達到每月14 件。一個月要完成280000 個制孔；高質量、可重復，最大限度減少人工干預。

　　傳統機器人精度低、負載能力弱，但通過位置與剛度補償，工業(yè)機器人機身制孔可以使它變成一個有效的運動平臺。配置伺服控制的多功能末端執(zhí)行器，孔定位可以保證在±0.06inch(0.1524cm)，孔锪窩深度精度達0.0025inch(0.00635cm)。

3 自動制孔爬行機器人 　　
　　Fatronik 公司研發(fā)了一種爬行機器人自動制孔技術，不管什么時候需要工作，加工車架被放到即將裝配的組件的位置，機器人通過它自己的真空吸盤固定在航空產品上。在機器視覺系統的幫助下完成位置坐標的自適應，在機器人工作空間內完成制孔作業(yè)。一旦完成這次作業(yè)，通過在工件上的移動或爬行系統，機器人可以移動并且重新自動定位到下一個工作空間。一旦整個工件的制孔作業(yè)工作完成，就可以從工件上把機器人取下來放置在儲存站里。

4 自動化過程集成TLD
　　自動化過程集成TLD（TORRESLIGHTDRILL）由西班牙M.Torres 開發(fā)，它具有5 軸制孔系統，用戶模塊化設計，視覺系統由2 臺視覺照相機組成，激光傳感器和控制軟件保證定位，可程編零件識別用于精確定位調整，8 個真空吸盤和真空供給，確保了T L D 牢牢吸附于飛機零件表面，最大重量55k g。制孔材料為鋁/ 復材/ 鈦、生產效率為6 ～ 8 孔/ m i n、制孔直徑6m m、夾層厚度0 ～ 25m m、定位精度±0.254m m，制孔轉速100 ～ 10000r / m i n、爬行步距30m m、多種夾層材料編程參數、內置刀具潤滑與冷卻系統。

5 機身壁板組件裝配處理系統
　　組件處理系統使用Comau S2機器人，該機器人裝備了可重新配置的終端操作器。這種終端操作器還安裝了激光掃描儀，用來定位并測量工作臺上的組件。這消除了必須把部件準確放置這一要求，同時還使得部件的變形得到補償，而且因為是組件的實際尺寸而不是假設的理想尺寸將被記錄并使用。

6 蛇形臂機器人
　　自動化水平的提高會帶來意想不到的收益，過多的可重復的高生產率自動化過程替代了原有的手工技術性裝配過程。密封和粘合過程將變成復材構件中至關重要的一環(huán)。對于未來飛機產品生產部門來說，這些促使了新的自動化解決方案的發(fā)展。此外，如果飛機生產采用了先進的自動化手段，飛機的維護和修理也需要新的工具和手段。蛇形手臂機器人的研發(fā)，會最終導致設計和過程的改變，為航空制造業(yè)創(chuàng)造相當的經濟價值。未來結構件的檢查口蓋設計將越來越少和小，維護時間也相應減少。

應用實例
1 翼盒段制造
　　在線性導軌上布置2 臺協同機器人完成盒段的制孔/ 锪窩、搬運、裝載、修整/ 加工和測量。系統采用了自適應導航系統精度控制，其末端執(zhí)行器可以自動更換；系統具有監(jiān)視控制表面，將主肋結構件裝載到粱上的功能。該系統已于2007 年8 月完成翼盒裝配。

2 波音787-41 段生產系統
　　該系統布置了5 臺機器人，其中機身外面有3 臺，內部有2 臺，系統完成機身的制孔與鉚接。生產線上的機器人必須內外協調工作。機器人末端執(zhí)行器具有制孔、锪窩、緊固件進給與插入和緊固件襯套孔強化等多種功能，制孔過程中要保證復材夾層的完整性，這就對系統的質量和可靠性提出了更高的要求。

幾點建議
對飛機裝配過程中每個環(huán)節(jié)進行認真需求分析，評估機器人應用的可行性，并制定切實完整的技術方案。選擇軍機和民機，進行示范工程試驗研究, 再逐步推廣。
　�。�1）串聯機器人技術已經很成熟，機器人可以向專業(yè)公司（KUKA、ABB、FANUC）購買。安裝在機器人手臂上的操作器要本著自主研制的思路進行。
　�。�2）至于爬行機器人，是剛剛興起的新技術，國外目前還沒有工程應用�？梢宰灾髟O計和制造，是個好的突破方向，意義重大。
　�。�3）離線程編與仿真，對于機器人來說，至關重要，一定要自主開發(fā)。
　　（4）大膽啟用新型的測量跟蹤技術，例如i G P S 技術，將測量系統與機器人連接起來，從而構成閉環(huán)控制。